JP5295724B2

JP5295724B2 - 等速自在継手の異常検出方法

Info

Publication number: JP5295724B2
Application number: JP2008285578A
Authority: JP
Inventors: 洋生森本
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: JP2010112830A

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用され、例えば自動車のドライブシャフト等に組み込まれる等速自在継手の異常検出方法に関する。

例えば、転がり軸受などのようにグリースや潤滑油などの潤滑剤によって潤滑される機械要素は、運転を継続すると潤滑剤の劣化などに伴って摺動部品の摩耗あるいは損傷などの異常を引き起こして運転の継続が困難になる場合がある。そのため、異常を早期に検出する方法として、振動加速度や音響センサ等を用いて異常を検出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この異常検出方法は、転がり軸受から離隔して設置された超音波マイクロフォンで転がり軸受の転動接触面で発生する摩擦音の超音波帯域の信号を検出し、その摩擦音信号が所定の異常判定基準値よりも大きい場合に転がり軸受の潤滑状態が異常であると判定するものである。

一方、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手は、その使用条件が転がり軸受に比べて厳しい。また、転がり軸受の転動接触面は潤滑剤により弾性流体潤滑下で潤滑されるため、研磨加工により非常に面粗さが小さいのに対して、等速自在継手における摺動部品の転動接触面は鍛造加工や研削加工のままで使用される場合があり、転がり軸受に比べて転動接触面の面粗さが大きく、また、運転による摩耗粉の発生量が多い。

そのため、等速自在継手の場合、転がり軸受に比べると損傷がなくても振動や音が大きいことから、前述の特許文献１で開示されるような振動加速度や音響センサ等により異常を検出する方法では、等速自在継手の異常を検出することが困難であり、実用的な方法は確立されていないというのが現状であった。

そこで、従来では、等速自在継手の異常を検出する方法として、等速自在継手について一定時間の試験運転を行った後、運転を一時停止し、人手により等速自在継手を各構成部品に分解して構成部品のうちの摺動部品の転動接触面を点検することにより、損傷状況を確認して異常の有無を検出することで等速自在継手が寿命に到達したか否かを判断するようにしていた。等速自在継手の異常がなければ、等速自在継手を組み立てて試験運転を再開し、等速自在継手の異常を発見するまで前述した一定時間の運転、分解および点検を何度も繰り返すようにしていた。
特開２００５−１６４３１４号公報

ところで、前述したように、等速自在継手の異常を検出する方法として、等速自在継手について一定時間の試験運転を行った後、人手により等速自在継手を各構成部品に分解して構成部品のうちの摺動部品の転動接触面を点検することにより、損傷状況を確認して異常の有無を検出することで等速自在継手が寿命に到達したか否かを判断するようにしていた。

この場合、人手により等速自在継手を各構成部品に分解して構成部品のうちの摺動部品の転動接触面を点検しなければならず、分解および点検作業が煩雑で時間と労力を要することになる。また、等速自在継手に異常がなければ、各構成部品を組み立てて一定時間の試験運転を再開するようにしているため、等速自在継手の組み立て作業も煩雑で時間と労力を要するという問題があった。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、一定時間の試験運転と分解および点検を何度も繰り返すことなく、等速自在継手の異常を自動的に検出し得る等速自在継手の異常検出方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、等速自在継手の入力側および出力側に一対のロータリーエンコーダをそれぞれ配設し、一定時間ごとに一対のロータリーエンコーダから得られる回転位相情報から等速自在継手の入出力間の回転伝達誤差を演算し、その回転伝達誤差を回転次数成分に分解し、一定時間ごとに演算された回転伝達誤差の差分を回転次数成分の経時変化とし、等速自在継手の構成部品のうちの摺動部品の転動接触面に発生する剥離面積と回転伝達誤差の差分との相関関係から、剥離面積に基づいて回転伝達誤差の差分によって等速自在継手の寿命時間を判断することにより、回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えた時に等速自在継手が異常であると判定することを特徴とする。

本発明では、一定時間ごとに、等速自在継手の入力側および出力側にそれぞれ配設された一対のロータリーエンコーダから得られる回転位相情報から等速自在継手の入出力間の回転伝達誤差を演算し、その回転伝達誤差を回転次数成分に分解し、一定時間ごとに演算された回転伝達誤差の差分を回転次数成分の経時変化とし、等速自在継手の構成部品のうちの摺動部品の転動接触面に発生する剥離面積と回転伝達誤差の差分との相関関係から、剥離面積に基づいて回転伝達誤差の差分によって等速自在継手の寿命時間を判断することにより、回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えた時に等速自在継手が異常であると判定することにより、従来のような一定時間の試験運転と分解および点検を何度も繰り返すことなく、等速自在継手の異常を自動的に検出することが可能となる。

ここで、一対のロータリーエンコーダによる回転位相情報から演算される等速自在継手の入出力間の「回転伝達誤差」とは、等速自在継手における入出力間の回転位相差を意味する。また、回転伝達誤差から分解される「回転次数成分」とは、回転位相差を分解した基本波成分（１次成分）〜ｎ次高調波成分の位相差を意味する。

本発明における等速自在継手の異常判定は、特定の回転次数成分の経時変化、あるいは、複数の回転次数成分の合計の経時変化のいずれかに基づいて行えばよい。ここで、「特定の回転次数成分」とは、任意に選択可能な一つの次数の回転次数成分を意味し、「複数の回転次数成分」とは、複数の次数の回転次数成分を意味する。特定の回転次数成分の経時変化に基づいて等速自在継手の異常判定を行えば、損傷が発生した等速自在継手の型式および部位、損傷形態が特定できる点で有効である。一方、複数の回転次数成分の経時変化の合計に基づいて等速自在継手の異常判定を行えば、等速自在継手の損傷を総合的に判断できる点で有効である。

本発明における回転伝達誤差の測定は、等速自在継手の耐久試験条件と異なる条件、例えば耐久試験条件における作動角と異なる作動角、耐久試験条件における回転数と異なる回転数、耐久試験条件における負荷トルクと異なる負荷トルクのいずれかで行うことが可能である。ここで、耐久試験とは、等速自在継手の耐久性能を評価するために行う台上試験のことを意味する。この耐久試験条件と異なる作動角、回転数あるいは負荷トルクで回転伝達誤差の測定を行えば、損傷の検出精度を高めることが可能となる点で有効である。

本発明における等速自在継手は、ドライブシャフトを構成する中間シャフトの一端部に連結された固定式等速自在継手あるいは中間シャフトの他端部に連結された摺動式等速自在継手のいずれか一方であり、その場合、複数のドライブシャフトの入力軸および出力軸に複数対のロータリーエンコーダをそれぞれ配設し、複数のドライブシャフトについて同時に等速自在継手の異常判定を行うことも可能である。このようにすれば、等速自在継手の異常判定を効率よく行うことができる点で有効である。

本発明においては、回転伝達誤差を一定時間ごとに測定し、ｎ回目の測定値と１回目の測定値との差分を回転次数成分の経時変化としたり、あるいは、回転伝達誤差を一定時間ごとに測定し、ｎ回目の測定値と１回目〜（ｎ−１）回目までの平均値との差分を回転次数成分の経時変化とすることが可能である。このように、ｎ回目の測定値と１回目の測定値との差分を回転次数成分の経時変化とすれば、任意の時間における損傷の判定も可能となる点で有効である。また、ｎ回目の測定値と１回目〜（ｎ−１）回目までの平均値との差分を回転次数成分の経時変化とすれば、測定した伝達誤差のバラツキの影響を小さくすることができ、より精度良い異常検出を行える点で有効である。

本発明によれば、一定時間ごとに、等速自在継手の入力側および出力側にそれぞれ配設された一対のロータリーエンコーダから得られる回転位相情報から入出力間の回転伝達誤差を演算し、その回転伝達誤差を回転次数成分に分解し、一定時間ごとに演算された回転伝達誤差の差分を回転次数成分の経時変化とし、等速自在継手の構成部品のうちの摺動部品の転動接触面に発生する剥離面積と回転伝達誤差の差分との相関関係から、剥離面積に基づいて回転伝達誤差の差分によって等速自在継手の寿命時間を判断することにより、回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えた時に等速自在継手が異常であると判定することにより、従来のような一定時間の試験運転と分解および点検を何度も繰り返すことなく、等速自在継手の異常を自動的に検出することが可能となる。その結果、等速自在継手の異常検出を従来よりも効率よくかつ迅速に行うことができ、等速自在継手の寿命時間の判定精度を向上させることができる。

本発明に係る等速自在継手の異常検出方法の実施形態を以下に詳述する。

例えば、自動車のエンジンから車輪に回転力を等速で伝達する手段として使用される等速自在継手には、固定式等速自在継手と摺動式等速自在継手の二種がある。これら両者の等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し得る構造を備えている。

図１は、エンジンと車輪との相対的位置関係の変化による角度変位と軸方向変位に対応する必要があるため、エンジン側（入力側）に摺動式等速自在継手１を、駆動車輪側（出力側）に固定式等速自在継手２をそれぞれ装備し、両者の等速自在継手１，２を中間シャフト３で連結したドライブシャフト４を例示する。

図２は、等速自在継手１，２の異常検出方法を実施するための装置を例示する。この装置は、４本のドライブシャフト４を同時に駆動するもので、各ドライブシャフト４に回転を付与するための駆動モータ５、各ドライブシャフト４にトルクを負荷するためのトルク負荷モータ６および各ドライブシャフト４に負荷されたトルクを微調整するためのトルクバイアスモータ７がギヤボックス８を介して全てのドライブシャフト４に連結されている。また、各ドライブシャフト４の摺動式等速自在継手１および固定式等速自在継手２に作動角を付与するための作動角制御部９が設けれている。各ドライブシャフト４の摺動式等速自在継手１の入力軸１ａと固定式等速自在継手２の出力軸２ａに、等速自在継手１，２の回転位相情報を測定するロータリーエンコーダ１１，１２を装着している。なお、この異常検出装置は、等速自在継手１，２の一般的な耐久試験装置に前述のロータリーエンコーダ１１，１２を設けたものである。

このように、４本のドライブシャフト４について同時に等速自在継手１，２の異常判定を行うことにより、等速自在継手１，２の異常判定を効率よくかつ迅速に行うことができる。

以上の構成からなる異常検出装置により、図３のフローチャートに示すように、ドライブシャフト４の摺動式等速自在継手１および固定式等速自在継手２に回転、トルクおよび作動角を付与して耐久試験を行い、ロータリーエンコーダ１１，１２から出力される回転位相情報に基づいてドライブシャフト４の摺動式等速自在継手１あるいは固定式等速自在継手２に発生した異常を検出する。

まず、耐久試験における伝達誤差の測定条件を予め設定する（STEP１）。その伝達誤差の測定条件としては、等速自在継手１，２の耐久試験と同一であってもよいが、耐久試験と異なる条件としてもよい。例えば耐久試験における作動角と異なる作動角、耐久試験における回転数と異なる回転数、耐久試験における負荷トルクと異なる負荷トルクのいずれかで行うことが可能である。この耐久試験と異なる作動角、回転数あるいは負荷トルクで測定を行うことにより、損傷の検出精度を高めることが可能となる。

前述した等速自在継手１，２の作動角、回転数および負荷トルクを所定値に条件設定した上で等速自在継手１，２の耐久試験を開始する（STEP２）。この耐久試験時による等速自在継手１，２の運転中（STEP３）、各ロータリーエンコーダ１１，１２から出力される回転位相情報から等速自在継手１，２の入出力間の回転伝達誤差を一定時間ごとに測定する（STEP４）。つまり、図４のフローチャートに示すように、摺動式等速自在継手１の入力軸１ａに装着されたロータリーエンコーダ１１から出力された回転位相情報と固定式等速自在継手２の出力軸２ａに装着されたロータリーエンコーダ１２から出力された回転位相情報との差、すなわち、入力軸１ａと出力軸２ａとの回転位相差を一定時間ごとに測定する。

この回転伝達誤差をＦＦＴ解析（高速フーリエ変換）することにより回転次数成分に分解する（STEP５）。つまり、入力軸１ａと出力軸２ａとの回転位相差を基本波成分（１次成分）〜ｎ次高調波成分に分解する。そして、一定時間ごとの測定により得られた回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えた時に等速自在継手１，２が異常であると判定する。等速自在継手１，２が異常であると判定されると、等速自在継手１，２の運転を停止し（STEP６）、その異常状態を確認するために等速自在継手１，２を分解・点検する（STEP７）。なお、回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えない場合には、等速自在継手１，２の運転を続行する（STEP３）。

ここで、等速自在継手１，２の異常判定は、特定の回転次数成分、つまり、任意に選択可能な一つの次数の回転次数成分の経時変化に基づいて行えばよい。このように、特定の回転次数成分の経時変化に基づいて等速自在継手１，２の異常判定を行えば、損傷が発生した等速自在継手の型式および部位、損傷形態が特定できる点で有効である。また、複数の回転次数成分の経時変化の合計に基づいて行うことも可能である。例えば、転動体数が６個の等速自在継手１，２の場合であれば、２〜５次高調波成分の経時変化の合計に基づいて異常判定を行えばよい。なお、基本波成分と６次高調波成分は、等速自在継手の製造誤差、試験機への取りつけ、試験機の製造精度などの影響を受ける可能性があることから除外される。このように、複数の回転次数成分の経時変化の合計に基づいて異常判定を行えば、等速自在継手の損傷を総合的に判断できる点で有効である。

また、回転伝達誤差を一定時間ごとに測定し、ｎ回目の測定値と１回目の測定値との差分を回転次数成分の経時変化とすればよい。このように、ｎ回目の測定値と１回目の測定値との差分を回転次数成分の経時変化とすれば、任意の時間における損傷の判定も可能となる点で有効である。また、回転伝達誤差を一定時間ごとに測定し、ｎ回目の測定値と１回目〜（ｎ−１）回目までの平均値との差分を回転次数成分の経時変化とすることも可能である。このように、ｎ回目の測定値と１回目〜（ｎ−１）回目までの平均値との差分を回転次数成分の経時変化とすれば、測定した伝達誤差のバラツキの影響を小さくすることができ、より精度良い異常検出を行える点で有効である。

図５は経過時間に対する回転伝達誤差、つまり、回転次数成分の経時変化を示すものである。図中の白丸は試験中に剥離が発生しなかった等速自在継手１，２の結果を示し、黒丸は試験中に剥離が発生した等速自在継手１，２の結果を示す。ここで、等速自在継手１，２における剥離とは、等速自在継手１，２の構成部品のうちの摺動部品の転動接触面において内部クラックにより発生する現象である。図６に示すように、この剥離面積と回転伝達誤差の差分との間に相関関係があることから、この剥離面積に基づいて回転伝達誤差の差分によって等速自在継手１，２の寿命時間を判断することができる。

例えば、図６に示した剥離面積と回転伝達誤差の差分の関係から、剥離面積１００（ｍｍ²）を異常と判断するのであれば、回転伝達誤差の差分の閾値は２００(arcsec)と設定すればよい。その試験において、図５の黒丸で示すような、回転伝達誤差の測定結果が得られた等速自在継手１，２では、回転伝達誤差の差分が２００（arcsec）を超えた時点で、剥離面積が１００（ｍｍ²）を超えて、異常であると判定する。

以上のようにして、一定時間ごとに、等速自在継手１，２の入力側および出力側にそれぞれ配設された一対のロータリーエンコーダ１１，１２から得られる回転位相情報から等速自在継手１，２の入出力間の回転伝達誤差を演算し、その回転伝達誤差を回転次数成分に分解し、その回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えた時に等速自在継手１，２が異常であると判定することにより、従来のような一定時間の試験運転と分解および点検を何度も繰り返すことなく、等速自在継手１，２の異常を自動的に検出することが可能となる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明の実施形態で、ドライブシャフトを示す縦断面図である。本発明の実施形態で、等速自在継手の異常検出装置を示す概略構成図である。等速自在継手の耐久試験における処理を示すフローチャートである。等速自在継手の耐久試験における異常検出を示すフローチャートである。経過時間と回転伝達誤差の差分との関係を示す特性図である。剥離面積と回転伝達誤差の差分との関係を示す特性図である。

符号の説明

１，２等速自在継手
１ａ入力軸
２ａ出力軸
３中間シャフト
４ドライブシャフト
１１，１２ロータリーエンコーダ

Claims

等速自在継手の入力側および出力側に一対のロータリーエンコーダをそれぞれ配設し、一定時間ごとに一対のロータリーエンコーダから得られる回転位相情報から前記等速自在継手の入出力間の回転伝達誤差を演算し、その回転伝達誤差を回転次数成分に分解し、一定時間ごとに演算された回転伝達誤差の差分を回転次数成分の経時変化とし、等速自在継手の構成部品のうちの摺動部品の転動接触面に発生する剥離面積と前記回転伝達誤差の差分との相関関係から、前記剥離面積に基づいて回転伝達誤差の差分によって等速自在継手の寿命時間を判断することにより、前記回転次数成分の経時変化が所定の閾値を超えた時に前記等速自在継手が異常であると判定することを特徴とする等速自在継手の異常検出方法。
前記等速自在継手の異常判定は、特定の回転次数成分の経時変化に基づいて行う請求項１に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記等速自在継手の異常判定は、複数の回転次数成分の合計の経時変化に基づいて行う請求項１に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記回転伝達誤差の測定を、等速自在継手の耐久試験における作動角と異なる作動角で行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記回転伝達誤差の測定を、等速自在継手の耐久試験における回転数と異なる回転数で行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記回転伝達誤差の測定を、等速自在継手の耐久試験における負荷トルクと異なる負荷トルクで行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記等速自在継手は、ドライブシャフトを構成する中間シャフトの一端部に連結された固定式等速自在継手あるいは前記中間シャフトの他端部に連結された摺動式等速自在継手のいずれか一方である請求項１〜６のいずれか一項に記載の等速自在継手の異常検出方法。
複数のドライブシャフトの入力軸および出力軸に複数対のロータリーエンコーダをそれぞれ配設し、複数のドライブシャフトについて同時に等速自在継手の異常判定を可能とした請求項７に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記回転伝達誤差を一定時間ごとに測定し、ｎ回目の測定値と１回目の測定値との差分を回転次数成分の経時変化とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の等速自在継手の異常検出方法。
前記回転伝達誤差を一定時間ごとに測定し、ｎ回目の測定値と１回目〜（ｎ−１）回目までの平均値との差分を回転次数成分の経時変化とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の等速自在継手の異常検出方法。